基于耐撞性的新型船舶結(jié)構(gòu)形式研究.pdf

1、船舶碰撞是指船舶在海上或者與海相通的可航水域發(fā)生接觸造成損害的事故，它往往會引起災(zāi)難性的后果，例如人員傷亡，船只沉沒，甚至環(huán)境污染等。引起船舶碰撞事故的原因有很多種，許多國家的研究者都試圖尋找可以避免船舶發(fā)生碰撞事故的方法。目前，由于人為因素的影響，船舶碰撞事故還不可能完全杜絕。從船舶結(jié)構(gòu)的角度而言，基于船舶碰撞安全性的考慮，大量單殼船舶正逐步淘汰或改建成雙殼船舶。眾多事故報告說明，目前的常規(guī)排水型船舶的結(jié)構(gòu)并不具有很好的防撞能力，船舶

2、結(jié)構(gòu)存在著改進(jìn)和革新的余地。 船舶碰撞問題的研究涉及到多學(xué)科、多領(lǐng)域。船舶結(jié)構(gòu)的碰撞分析需要綜合結(jié)構(gòu)動力學(xué)、斷裂力學(xué)、塑性力學(xué)、材料力學(xué)和水動力學(xué)等眾多門類的知識，還需要掌握一定的有限元使用技術(shù)和理論分析水平。船舶碰撞過程具有各種非線性特征，如幾何非線性、運(yùn)動非線性、接觸非線性和材料非線性等，整個過程持續(xù)的時間比較短，通常在0.1-10秒之間。發(fā)生碰撞的船體區(qū)域可能位于流場之中，因此，嚴(yán)格來說，船舶碰撞問題也是一個流固耦合或水彈

3、性的問題，其相關(guān)理論對問題的研究也是很有幫助的。 船舶結(jié)構(gòu)的碰撞分析主要有三類方法：試驗(yàn)法、簡化解析法和數(shù)值仿真法。試驗(yàn)法包括實(shí)際事故調(diào)查和實(shí)船或船模碰撞試驗(yàn)，它所得到的結(jié)果具有很好的直觀性，對于理論方法的指導(dǎo)意義不言而喻，然而它耗費(fèi)的資金代價往往非常大。簡化解析法的精度比較低，它將碰撞中的船舶作了大量的簡化處理，運(yùn)用解析的方法和一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立半解析/半經(jīng)驗(yàn)的船體或局部船舶結(jié)構(gòu)件的力學(xué)方程，評估船體的碰撞特性。數(shù)值仿真法的優(yōu)

4、勢是可以對真實(shí)船舶碰撞場景進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，它借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過程中的各種物理量都可以作為結(jié)果輸出。船舶碰撞的數(shù)值仿真大都采用非線性有限元方法，一些大型的商業(yè)有限元軟件已經(jīng)很好地證明，它們是可以比較精確地模擬船舶碰撞過程的。然而，由于仿真模型的建立需要一定的知識、經(jīng)驗(yàn)和處理技巧的積累，模型的計算精度并非總能令人滿意，數(shù)值仿真法的結(jié)果仍然需要試驗(yàn)或其它研究者的計算結(jié)果來相互檢驗(yàn)。本文將船舶之間、船舶與海洋結(jié)構(gòu)物之間或船舶與其

5、它障礙物之間的以瞬態(tài)脈沖載荷為特點(diǎn)的動態(tài)接觸過程稱為廣義上的船舶碰撞，具體地說，它包括船-船碰撞，船-橋碰撞，船-海洋平臺碰撞，船舶擱淺等等。本論文在對船舶碰撞過程的仿真再現(xiàn)中，試圖從船舶結(jié)構(gòu)耐撞性的角度探尋降低船舶碰撞事故損傷的方法，主要包括：在一定的碰撞分析基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐撞性優(yōu)化；對現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高其耐撞性指標(biāo)，即碰撞事故中單位質(zhì)量的結(jié)構(gòu)材料所吸收的能量。通過對本論文的研究，可以對船舶結(jié)構(gòu)在各種碰撞載荷作用下

6、的響應(yīng)和能量吸收機(jī)制有比較明確的認(rèn)識，為制定新的引入結(jié)構(gòu)耐撞性的船舶設(shè)計和制造規(guī)范提供一定的依據(jù)。同時，一些新船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的提出，可以為船舶結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和革新提供借鑒。 本文的主要研究工作包括如下幾個方面： (1)總結(jié)、分析了船舶碰撞領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，主要包括船-船碰撞、船舶擱淺、船-橋/海洋平臺碰撞、新型耐撞結(jié)構(gòu)、船體剩余強(qiáng)度/極限強(qiáng)度、數(shù)值仿真技術(shù)、耐撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化和船舶碰撞風(fēng)險分析等方面。 (2)回顧、總結(jié)了非

7、線性有限元方法的發(fā)展歷程和基本理論，并重點(diǎn)討論了船舶碰撞數(shù)值仿真中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和處理技巧。 (3)利用數(shù)值仿真法分析了舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞危險點(diǎn)問題。舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞危險點(diǎn)主要有三類：縱桁與橫框架的交叉點(diǎn)，縱桁或橫框架的跨距中點(diǎn)，舷側(cè)板格中心點(diǎn)。研究表明，對于船首--雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)垂直碰撞場景，舷側(cè)內(nèi)殼板的破裂與否和結(jié)構(gòu)吸能多少并無本質(zhì)關(guān)聯(lián)，而主要取決于內(nèi)殼板以及由縱桁、橫框架組成的十字形結(jié)構(gòu)的受力和變形；對于常規(guī)尺寸和厚度的船舶舷側(cè)結(jié)

8、構(gòu)，縱桁和橫框架組成的十字框架總是有利于減緩碰撞損傷的。對于由縱桁和橫框架組成的十字形結(jié)構(gòu)，當(dāng)厚度超過某個臨界板厚時，其傳遞的碰撞力會使舷側(cè)內(nèi)殼板先于撞頭到達(dá)時破裂。本論文給出了確定雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)中的十字框架臨界板厚的方法。 (4)在雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了估算舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞吸能的簡化方法。對于船首一舷側(cè)垂直碰撞場景，本文考慮了多種計算條件的變化，包括撞擊位置，舷側(cè)結(jié)構(gòu)尺寸，網(wǎng)格密度和計算模型范圍的選取等。Min

9、orsky公式和Paik的修正公式可以估算船體碰撞吸能，然而，他們未考慮到船首瘦削程度以及船側(cè)縱桁、強(qiáng)橫框架等強(qiáng)構(gòu)件對碰撞損傷的影響，本文對其進(jìn)行了修正。 (5)通過數(shù)值仿真法的比較研究，分析了船底縱桁對于船底結(jié)構(gòu)擱淺吸能的影響，從而對Zhang的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。在新的船底擱淺吸能估算公式的基礎(chǔ)上，利用混合離散變量優(yōu)化方法對雙層底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗擱淺優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化計算的變量是船底結(jié)構(gòu)的尺寸，約束函數(shù)是船底結(jié)構(gòu)的重量。 (

10、6)利用數(shù)值仿真法，對典型雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞性能進(jìn)行了分析，并提出三種旨在提高抗撞擊能力的改進(jìn)型雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)：箱形梁雙殼結(jié)構(gòu)、槽形筋雙殼結(jié)構(gòu)和斜縱骨夾層板雙殼結(jié)構(gòu)。新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)是在常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了一些簡單的改動，其共同的設(shè)計理念是在可能的碰撞區(qū)域增加吸能結(jié)構(gòu)件。通過比較研究發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)的耐撞性指標(biāo)明顯優(yōu)于常規(guī)結(jié)構(gòu)。 (7)對典型雙層底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擱淺數(shù)值仿真分析，并從橫向、縱向和板架三個方面考慮結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提出三種新型抗擱

11、淺船底結(jié)構(gòu)：雙槽形肋板雙底結(jié)構(gòu)、槽形縱骨雙底結(jié)構(gòu)和波紋縱骨夾層板雙底結(jié)構(gòu)。研究表明，這些改進(jìn)型結(jié)構(gòu)可以有效地提高船舶的抗擱淺能力。此外，對于船舶擱淺吸能，船底結(jié)構(gòu)的橫向構(gòu)件和板架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)效果要比縱向結(jié)構(gòu)的改進(jìn)明顯。 (8)對球鼻型船首與雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞進(jìn)行了同步損傷分析。由于船舶碰撞事故中，船首結(jié)構(gòu)的損傷可能不如舷側(cè)結(jié)構(gòu)的損傷引起的事故后果嚴(yán)重，本文提出多層橫艙壁船首的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其宗旨是降低船首結(jié)構(gòu)的縱向剛度。通過比較研究發(fā)

12、現(xiàn)，新的結(jié)構(gòu)設(shè)計使雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞損傷程度大幅度降低，貨艙區(qū)域舷側(cè)結(jié)構(gòu)的損傷一定程度地轉(zhuǎn)移到了船首結(jié)構(gòu)上，這有利于防止船艙中貨物的泄漏。 (9)提出一種新式的防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計理念——附加甲板結(jié)構(gòu)，它是船首區(qū)域主甲板以上的箱式結(jié)構(gòu)。通過彈射或滑離等操作機(jī)制，使其落下，阻隔碰撞雙方的直接接觸，并且吸收一部分碰撞能量，從而達(dá)到保護(hù)主要船體結(jié)構(gòu)的目的。 本論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)為： (1)舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞危險點(diǎn)概念的提出及分析；

13、 (2)利用混合離散變量優(yōu)化方法對船底結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗擱淺優(yōu)化設(shè)計； (3)一些新型耐撞結(jié)構(gòu)和防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的提出。 綜上所述，本論文主要研究的是船舶碰撞事故可能造成的主要船體結(jié)構(gòu)損傷，以此為基礎(chǔ)，提出一些結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施或新型耐撞結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。通過本文的研究，可以對船舶碰撞機(jī)理，尤其是損傷區(qū)域的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和變形模式有一定的了解。為了增強(qiáng)船舶的安全性，類似于爆炸、砰擊等偶然性載荷，船舶碰撞事故中的結(jié)構(gòu)行為有必要體現(xiàn)在新的船舶設(shè)